參考：什么是狀態機？用C語言實現進程5狀態模型
參考：設計模式：一目了然的狀態機圖
案例：狀態模式(C語言實現)——MP3播放、暫停案例

目錄

• 前言
• 什么是狀態機
• • 定義
  • 舉例
• 四大概念(狀態、事件、動作、變換)
• 狀態機圖怎么畫
• • 基本元素
  • 狀態機圖
  • 狀態機表
• 進程5狀態模型
• 實現

前言

狀態機在實際工作開發中應用非常廣泛，在剛進入公司的時候，根據公司產品做流程圖的時候，發現自己經常會漏了這樣或那樣的狀態，導致整體流程會有問題，后來知道了狀態機這樣的東西，發現用這幅圖就可以很清晰的表達整個狀態的流轉。

很多協議(例如網絡協議)的開發都必須用到狀態機；一個健壯的狀態機可以讓你的程序，不論發生何種突發事件都不會突然進入一個不可預知的程序分支。

什么是狀態機

定義

狀態機是有限狀態自動機的簡稱，是現實事物運行規則抽象而成的一個數學模型。

先來解釋什么是“狀態”（ State ）。現實事物是有不同狀態的，例如一個LED等，就有亮和滅兩種狀態。我們通常所說的狀態機是有限狀態機，也就是被描述的事物的狀態的數量是有限個，例如LED燈的狀態就是兩個亮和滅。

狀態機，也就是 State Machine ，不是指一臺實際機器，而是指一個數學模型。說白了，一般就是指一張狀態轉換圖。

舉例

以物理課學的燈泡圖為例，就是一個最基本的小型狀態機

可以畫出以下的狀態機圖

這里就是兩個狀態：①燈泡亮，②燈泡滅
如果打開開關，那么狀態就會切換為 燈泡亮 。燈泡亮 狀態下如果關閉開關，狀態就會切換為燈泡滅。

狀態機的全稱是有限狀態自動機，自動兩個字也是包含重要含義的。給定一個狀態機，同時給定它的當前狀態以及輸入，那么輸出狀態時可以明確的運算出來的。例如對于燈泡，給定初始狀態燈泡滅 ，給定輸入“打開開關”，那么下一個狀態時可以運算出來的。

四大概念(狀態、事件、動作、變換)

下面來給出狀態機的四大概念。

• State，狀態。一個狀態機至少要包含兩個狀態。例如上面燈泡的例子，有燈泡亮和燈泡滅兩個狀態。

• Event，事件。事件就是執行某個操作的觸發條件或者口令。對于燈泡，“打開開關”就是一個事件。

• Action，動作。事件發生以后要執行動作。例如事件是“打開開關”，動作是“開燈”。編程的時候，一個 Action一般就對應一個函數。

• Transition，變換。也就是從一個狀態變化為另一個狀態。例如“開燈過程”就是一個變換。

狀態機圖怎么畫

基本元素

當你需要描述一個對象或系統的行為狀態時，相比于直接的語言描述，更推薦使用狀態機表或狀態機圖的形式。

首先我們看一下基本元素：

狀態機圖

做需求時，需要了解以下六種元素：起始、終止、現態、次態（目標狀態）、動作、條件，我們就可以完成一個狀態機圖了：

①現態：是指當前所處的狀態。

②條件：又稱為“事件”，當一個條件被滿足，將會觸發一個動作，或者執行一次狀態的遷移。

③動作：條件滿足后執行的動作。動作執行完畢后，可以遷移到新的狀態，也可以仍舊保持原狀態。動作不是必需的，當條件滿足后，也可以不執行任何動作，直接遷移到新狀態。

④次態：條件滿足后要遷往的新狀態。“次態”是相對于“現態”而言的，“次態”一旦被激活，就轉變成新的“現態”了。

注意事項

1、避免把某個“程序動作”當作是一種“狀態”來處理。那么如何區分“動作”和“狀態”？“動作”是不穩定的，即使沒有條件的觸發，“動作”一旦執行完畢就結束了；而“狀態”是相對穩定的，如果沒有外部條件的觸發，一個狀態會一直持續下去。

2、狀態劃分時漏掉一些狀態，導致跳轉邏輯不完整。所以在設計狀態機時，我們需要反復的查看設計的狀態圖或者狀態表，最終達到一種牢不可破的設計方案。

我們看下面這張狀態機圖，展示了一張簡單的單審批人文件的狀態流轉情況。

狀態機表

那么如何把他寫成狀態機表呢？這里有多種寫法，區別于縱坐標的不同，我們舉兩種：

左側的縱坐標為初始狀態，橫坐標為終止狀態。

右側的縱坐標為動作條件，橫坐標為終止狀態。

那么對于動作比較多且復雜的情況下，可以考慮采用右側的表格，這樣會比較一目了然。

狀態機圖經常應用在程序的設計過程中，使用清晰明了的狀態機圖設計代碼邏輯架構，再使用編程語言去實現。當然也可以畫一個狀態機圖來展示某崗位的工作：

在另一篇博文中，將介紹使用C語言來實現狀態機的設計。
C語言狀態機模塊實現_智小星的博客-CSDN博客_c語言狀態機

進程5狀態模型

進程管理是Linux五大子系統之一，非常重要，實際實現起來非常復雜，我們來看下進程是如何切換狀態的。

下圖是進程的5狀態模型：

關于該圖簡單介紹如下：

• 可運行態：當進程正在被CPU執行，或已經準備就緒隨時可由調度程序執行，則稱該進程為處于運行狀態（running）。進程可以在內核態運行，也可以在用戶態運行。當系統資源已經可用時，進程就被喚醒而進入準備運行狀態，該狀態稱為就緒態。
• 淺度睡眠態（可中斷）：進程正在睡眠（被阻塞），等待資源到來是喚醒，也可以通過其他進程信號或時鐘中斷喚醒，進入運行隊列。
• 深度睡眠態(不可中斷)：其和淺度睡眠基本類似，但有一點就是不可由其他進程信號或時鐘中斷喚醒。只有被使用wake_up()函數明確喚醒時才能轉換到可運行的就緒狀態。
• 暫停狀態：當進程收到信號SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU時就會進入暫停狀態。可向其發送SIGCONT信號讓進程轉換到可運行狀態。
• 僵死狀態：當進程已停止運行，但其父進程還沒有詢問其狀態時，未釋放PCB，則稱該進程處于僵死狀態。
  進程的狀態就是按照這個狀態圖進行切換的。

該狀態流程有點復雜，因為我們目標只是實現一個簡單的狀態機，所以我們簡化一下該狀態機如下：

要想實現狀態機，首先將該狀態機轉換成下面的狀態遷移表。

簡要說明如下：
假設當前進程處于running狀態下，那么只有schedule事件發生之后，該進程才會產生狀態的遷移，遷移到owencpu狀態下，如果在此狀態下發生了其他的事件，比如wake、wait_event都不會導致狀態的遷移。

如上圖所示：

• 每一列表示一個狀態，每一行對應一個事件。
• 該表是實現狀態機的最核心的一個圖，請讀者詳細對比該表和狀態遷移圖的的關系。
• 實際場景中，進程的切換會遠比這個圖復雜，好在眾多大神都幫我們解決了這些復雜的問題，我們只需要站在巨人的肩膀上就可以了。

實現

根據狀態遷移表，定義該狀態機的狀態如下：

typedef enum { //上圖 5 列sta_origin=0,sta_running,sta_owencpu,sta_sleep_int,sta_sleep_unint }State;

發生的事件如下：

typedef enum{ //上圖 6 行evt_fork=0,evt_sched,evt_wait,evt_wait_unint,evt_wake_up,evt_wake, }EventID;

不論是狀態還是事件都可以根據實際情況增加調整。

定義一個結構體用來表示當前狀態轉換信息，即狀態遷移表：

typedef struct {State curState; //當前狀態EventID eventId;//事件IDState nextState;//下個狀態CallBack action;//回調函數，事件發生后，調用對應的回調函數 }StateTransform ;

事件回調函數：
實際應用中不同的事件發生需要執行不同的action，就需要定義不同的函數，
為方便起見，本例所有的事件都統一使用同一個回調函數。

功能：
打印事件發生后進程的前后狀態，如果狀態發生了變化，就調用對應的回調函數。

void action_callback(void *arg) {StateTransform *statTran = (StateTransform *)arg;if(statename[statTran->curState] == statename[statTran->nextState]){printf("invalid event,state not change\n");}else{printf("call back state from %s --> %s\n",statename[statTran->curState],statename[statTran->nextState]);} }

為各個狀態定義狀態遷移表數組：

/*origin*/ StateTransform stateTran_0[]={狀態 事件 狀態{sta_origin,evt_fork, sta_running,action_callback},{sta_origin,evt_sched, sta_origin,NULL},{sta_origin,evt_wait, sta_origin,NULL},{sta_origin,evt_wait_unint, sta_origin,NULL},{sta_origin,evt_wake_up, sta_origin,NULL},{sta_origin,evt_wake, sta_origin,NULL}, }; /*running*/ StateTransform stateTran_1[]={{sta_running,evt_fork, sta_running,NULL},{sta_running,evt_sched, sta_owencpu,action_callback},{sta_running,evt_wait, sta_running,NULL},{sta_running,evt_wait_unint, sta_running,NULL},{sta_running,evt_wake_up, sta_running,NULL},{sta_running,evt_wake, sta_running,NULL}, }; /*owencpu*/ StateTransform stateTran_2[]={{sta_owencpu,evt_fork, sta_owencpu,NULL},{sta_owencpu,evt_sched, sta_owencpu,NULL},{sta_owencpu,evt_wait, sta_sleep_int,action_callback},{sta_owencpu,evt_wait_unint, sta_sleep_unint,action_callback},{sta_owencpu,evt_wake_up, sta_owencpu,NULL},{sta_owencpu,evt_wake, sta_owencpu,NULL}, }; /*sleep_int*/ StateTransform stateTran_3[]={{sta_sleep_int,evt_fork, sta_sleep_int,NULL},{sta_sleep_int,evt_sched, sta_sleep_int,NULL},{sta_sleep_int,evt_wait, sta_sleep_int,NULL},{sta_sleep_int,evt_wait_unint, sta_sleep_int,NULL},{sta_sleep_int,evt_wake_up, sta_sleep_int,NULL},{sta_sleep_int,evt_wake, sta_running,action_callback}, }; /*sleep_unint*/ StateTransform stateTran_4[]={{sta_sleep_unint,evt_fork, sta_sleep_unint,NULL},{sta_sleep_unint,evt_sched, sta_sleep_unint,NULL},{sta_sleep_unint,evt_wait, sta_sleep_unint,NULL},{sta_sleep_unint,evt_wait_unint, sta_sleep_unint,NULL},{sta_sleep_unint,evt_wake_up, sta_running,action_callback},{sta_sleep_unint,evt_wake, sta_sleep_unint,NULL}, };

實現event發生函數：

void event_happen(unsigned int event) 功能： 根據發生的event以及當前的進程state，找到對應的StateTransform 結構體，并調用do_action() void do_action(StateTransform *statTran) 功能： 根據結構體變量StateTransform，實現狀態遷移，并調用對應的回調函數。 #define STATETRANS(n) (stateTran_##n)void do_action(StateTransform *statTran) {if(NULL == statTran){perror("statTran is NULL\n");return;}//狀態遷移globalState = statTran->nextState;if(statTran->action != NULL){//調用回調函數statTran->action((void*)statTran);}else{printf("invalid event,state not change\n");} } void event_happen(unsigned int event) {switch(globalState){case sta_origin:do_action(&STATETRANS(0)[event]);break;case sta_running:do_action(&STATETRANS(1)[event]);break;case sta_owencpu:do_action(&STATETRANS(2)[event]); break;case sta_sleep_int:do_action(&STATETRANS(3)[event]); break;case sta_sleep_unint:do_action(&STATETRANS(4)[event]); break;default:printf("state is invalid\n");break;} }

測試程序：
功能：

初始化狀態機的初始狀態為sta_origin；
創建子線程，每隔一秒鐘顯示當前進程狀態；
事件發生順序為：evt_fork–>evt_sched–>evt_sched–>evt_wait–>evt_wake。
讀者可以跟自己的需要，修改事件發生順序，觀察狀態的變化。

main.c

/*顯示當前狀態*/ void *show_stat(void *arg) {int len;char buf[64]={0};while(1){sleep(1);printf("cur stat:%s\n",statename[globalState]);} } void main(void) {init_machine();//創建子線程，子線程主要用于顯示當前狀態pthread_create(&pid, NULL,show_stat, NULL);sleep(5);event_happen(evt_fork);sleep(5);event_happen(evt_sched);sleep(5);event_happen(evt_sched);sleep(5);event_happen(evt_wait);sleep(5);event_happen(evt_wake); }

運行結果：

由結果可知前后發生的事件分別為：

evt_fork-->evt_sched-->evt_sched-->evt_wait-->evt_wake

該事件發生序列對應的狀態遷移順序為：

origen-->running-->owencpu-->owencpu-->sleep_int-->running

完整代碼請關注公眾號：一口Linux，回復statmachine

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的状态机模型的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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